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在线检测技术在加工中心的应用
作者：www.xfjcyq.com 发布时间：2020-09-02 17:00
传统的零件测量方法常常采用离线测量。需把被测零件从加工设备转移到测量设备上，有时在一个加工过程中甚至需要几个来回，使检测工件的费用，超过了工件的加工费用。因此通过使用在线测量来代替离线测量，使得在线检测的效率和精确度得到保证的条件下，使质量检测过程更靠近加工过程，从而保证了工件从加工设备上卸下的时候就是合格品。本文介绍的基于Renishaw和Delcam的加工中心在线检测是通过为加工中心配备一个Renishaw测头以及PowerINSPECT在线检测软件，构成加工中心在线检测系统，如图1所示。
图1 加工中心在线检测系统
在工业发达国家，机床测头基本上与刀具一样成为机床不可缺少的基本备件，如德国的HAIMER公司、SIMTEK公司和BLUM公司，美国的MILLSTAR公司，英国Renishaw公司等，这些制造商的产品均是世界一流，并各自在自己的领域内占主导地位。目前，国外很多知名厂家都开发出了机床在线检测系统。如英国Renishaw的Renichine verification，简称OMV，是专为机床而编写的软件。意大利的Marposs公司推出的一整套计算机辅助加工中心在线检测方案。英国DELCAM公司的检测系统PowerINSPECT OMV，是一种在数控加工机床上使用的、用于自动化测量自由曲面和几何体的通用在线编程软件系统。
在国内，北京机床所和航天部303所等单位也相继研制出机床在机测头，其测量控制和数据处理都在数控宏程序中完成，可以实现简单的点、线、面等基本形体几何参数的测量。哈尔滨先锋机电技术开发有限公司生产的数控机床专用工件检测系统及刀具检测系统，可实现工装夹具和零件的装夹找正、零件编程原点的设定，加工过程中首件抽检、工序间重点尺寸的检测及加工结果的最终检测等。
一、基于测头的加工中心检测方法
激光扫描检测是指依靠激光测头对工件进行检测的方式。这是一种非接触式检测，扫描速度快、精确度适当，但对于结构复杂的工件，某些遮挡部位就无法测量，而且环境光照对其影响十分明显，会带来一定的约束限制。
坐标测量机检测是一种典型的接触式测量，依靠三坐标测量机为检测工具，对工件进行检测。测量精度较高，在检测中有一定的应用范围；但工作条件苛刻，检测过程繁琐、费时费力；只能用于离线质量抽检；返修过程复杂、繁琐、费时、费力；定位不准容易造成附加误差；体积庞大、价格昂贵。
工业CT检测是工业计算机层析照相或工业计算机层析扫描成像的简称。这门技术是放射学和计算机科学结合而产生的一门成像技术，在无损检测或无损评价领域有其独特的优势。工业CT检测能力强，精度高，定量三维成像，适用于自动检测，但目前主要运用于发达国家，在国内的运用才刚刚起步，主要用于国防工业研究，由于其价格昂贵，在民用产品方面使用还很少。
加工中心在线检测是指加工中心的刀库里装上检测测头，当需要检测时，从刀库里切换测头进行检测，根据检测结果，进一步加工工件。加工中心在加工具有复杂空间曲面的产品方面有着明显优势，它自由度大，避免了对工件多次装夹，但制造周期长，生产成本高，在结构复杂且为空间曲面的零件上广泛应用。
二、加工中心在线检测系统原理
加工中心在线检测系统一般由加工中心、PC机和测头三大部分组成。加工中心完成加工和检测的集成，即把测头和刀具同时安装在刀库中，统一编号，通过程序随时进行自动测量，使数控机床既是加工设备，又兼备测量机的某些功能。实现数控机床的在线检测时，首先要在计算机辅助编程系统上自动生成检测主程序，将检测主程序由通信接口传输给数控机床，通过跳步指令，使测头按程序规定路径运动，当测球接触工件时发出触发信号，通过测头与数控系统的专用接口将触发信号传到转换器，并将触发信号转换后传给机床的控制系统，该点的坐标被记录下来。信号被接收后，机床停止运动，测量点的坐标通过通信接口传回计算机，然后进行下一个测量动作。
现场有一种接触式测量系统，由PC机、机械臂、空气压缩机和Renishaw接触式测头四大部分组成，机械臂是检测的执行机构，通过对机械臂的运动控制，带动测头检测叶轮，当测头与被测工件接触并触发信号时，测头将触发信号传给测量控制系统，控制系统将采样瞬间的X、Y和Z三轴位置存储下来。对任何复杂的几何表面与形状，只要测量系统的测头能够安全探测到的地方，就可测出它们的几何尺寸和相互位置关系，并借助于计算机完成数据处理。该系统选用的Renishaw OMP60测头和OMI-2接收器，如图2所示。
图2 Renishaw OMP60测头和OMI-2接收器
还有一种基于蓝牙技术的数控系统在线监控与维护系统。其特征在于：在整体装置中包括有外围PC机或便携设备，并加入了蓝牙监控系统，现场的外围PC机或便携设备兼作蓝牙监控设备，蓝牙监控系统与数控主机、外围PC机或便携设备互连，数控主机与监控机之间通过安装在各自主板上的基于USB技术的蓝牙设备，利用双向的蓝牙无线数据链道实施实时数据传输和交流。
三、加工中心在线检测硬件系统
对于加工中心和计算机，这里不再赘述，主要介绍测头。测头是测量系统中重要的传感器件。它直接影响到测量精度，也是决定测量系统功能和测量效率的重要因素。数控测量是在计算机控制下，测量头按照预先编制好的测量步骤和方式顺序地进行坐标测量，记录测量数据并按要求输出测量结果，其技术实现过程包括数据采集和数据处理。测头性能的好坏，决定着测量方式的难易，决定着测量精度的高低，所以测头是实现数控测量的关键。要想真正实现加工中心的在线测量，测头必须有反馈性能，可以搜索前进。
测头一般分为机械接触式和光学非接触式两种。常用的有机械触发式测头、激光扫描式测头和显微镜式测头。激光扫描式测头可以对工件表面连续采样，尤其适用于复杂表面的工件、齿形和齿向误差的测量；显微镜式测头利用光学仪器能测量各种复杂零件。但是，这两种测头价格昂贵，且受工件表面状况的限制，如工件表面的油膜、金属屑等。机械触发式测头结构简单，价格相对较低，并且由于通过触发力启动机械结构产生信号，基本不受油膜干扰，具有高可靠性。此外，机械触发式测头还具有体积小、安装操作方便、精度高和灵活等优点，使用机械式触发测头只需几个关键点即可得到规则形状甚至复杂形状的尺寸及精度。因此，机械触发式测头为目前数控机床在线检测技术中普遍采用的关键基础部件。
目前，接触式测头使用最广、精度较高的是英国Renishaw公司生产的接触式测头。图3所示为Renishaw OMP60测头结构。该测头采用最先进的调制光学传输方法，具有极强的抗光干扰能力，是各种加工中心的理想之选，即使对于刀库中最短刀具所切削的表面，也能进行测量，实现360°红外传输，OM P60传输距达6m，适用于中型和大型加工中心，也非常适合加装到现有机床或者机械臂上，以改善检测性能。OMI-2是集成型的光学收发器/接口，用于传输和处理工件检测测头与数控系统之间的信号。该测头（包括刀柄）与刀具一样，安装在刀库或主轴上，测量信号从光学式测头传到OMI-2光学接收器，然后通过电缆再传输到转换器和机械臂（或机床）的控制系统。
图3 Renishaw OMP60测头结构
四、加工中心在线检测软件系统
数控机床在线检测技术的关键主要体现在检测程序的编制上，检测程序编制质量的优劣直接影响到检测效果。目前检测软件有商业化软件和自主开发的软件。商业化软件，如Delcam公司的检测系统PowerINISPECT。自主开发软件的编程方式有基于C、C++、VC、delphi等开发平台的在线检测编程和基于开发平台的在线检测编程。
英国Delcam公司的检测系统PowerINSPECT是一款开放的检测软件，如图4所示。它不受测量设备的限制，既可以在线检测，也可以脱机检测。它能够快速读取各种主流格式的三维CAD模型，并能方便地和各种知名的测量机生产厂商的检测设备联机工作，进行检测数据与理想的CAD模型在线检测对比；它能以不同颜色点云的方式来显示误差的信息，并能方便地输出符合国际标准的检测报告。PowerINSPECT不仅提供在机检测的功能，还能够在检测前针对读取的CAD模型进行检测路径的编程工作，并进行检测的仿真。随后可以把编制好的程序传输给CNC检测设备，进行自动检测。同时，编制检测程序，可以使设计和检测部门的相关人员协同工作，提高检测的效率。
图4 PowerINSPECT检测软件界面
PowerINSPECT具有良好的开放性，可以适合多种类型的用户：可以和已有的手动检测设备进行联机工作；也可以和已有的CNC检测设备进行联机工作；对已有的检测设备进行改造后联机工作；配合最新的接触和非接触式检测设备联机工作，以满足用户对检测效率和效果的更高要求；也可以配合新式数控机床上的测量装置进行在线检测。
五、加工中心在线检测技术的发展趋势
硬件方面开发高精度的三维测头，测头应包括对测头误差的补偿；提高探测速度，改进探测方法，包括扫描与吃跃测量；发展测头附件，包括各种探针、接长针、测头回转体和测头自动更换装置等；发展非接触测头，提高测量速度，便于扩大量程，测量柔软的和易于变形的被测件。
软件方面从单参数检测向多参数综合检测，从单纯检测向检测与控制的闭环系统发展；微机化、智能化，当生产线参数变化及出现外界干扰时，在线检测系统能使生产系统迅速适应变化和排除干扰；提高检测系统的可靠性等。
六、结束语
在线测量技术应用于加工中心，其最直接的经济效益就在于既节省了工时又提高了测量精度。目前看来，加工中心在线检测技术在使用上还处于普及阶段，尚未得到大规模应用。其原因是企业花费大量资金用于购置加工中心，但由于一些附属设备的昂贵价格，使企业在进行技术经济方面的分析时，不愿在这些附件上再进行投资。在线检测技术本身也存在一些问题：在使用上不够方便，不易被使用者所掌握，一旦在使用中出了一点差错，容易损坏整套检测系统。检测功能较为薄弱，目前在线测头基本上都用于简单几何量检测方面，基本上停留于数控系统本身所提供的一些功能，在线检测技术对于一般企业的确显得有些奢侈。现代的设计制造理论及先进的技术装备在在线检测方面没有得到应有的体现，致使在线检测技术在发展上处于落后阶段，同时在这方面研究的滞后，也成为相关领域发展的瓶颈。但在线检测技术在数控机床中的应用未来具有广淘的前景。
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